Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình" trình bày các nội dung chính sau: Đối tượng nghiên cứu và định hướng điều khiển lưu lượng; Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha; Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng và thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình

i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Minh Hưng Sinh ngày: 17 tháng 9 năm 1976 Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Trần Minh Hưng
ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo, gia đình và đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Nguyễn Như Hiển, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiêp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô ở Khoa Điện. Trung tâm thí nghiệm, phòng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Cao dẳng nghề Phú Thọ đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Mặc dù đã rất cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu xót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế. HỌC VIÊN Trần Minh Hưng
iii MỤC LỤC Lời cam đoan.................................................................................................. i Lời cảm ơn..................................................................................................... ii Mục lục........................................................................................................... iii Danh mục các hình vẽ.................................................................................... iv Danh mục các chữ viết tắt ............................................................................. v Mở đầu.......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 2 3. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài.......................................... 2 4. Cấu trúc của luận văn................................................................................. 2 Chương I: Đối tượng nghiên cứu và định hướng điều khiển lưu lượng 3 bằng hệ thống biên tần – Động cơ không đồng bộ.................................... 1.1. Đối tượng nghiên cứu 3 1.2. Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ xoay chiều ba pha.................... 1.3. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC)........................................ 11 1.3.1. Vectơ không gian và hệ tọa độ từ thông.................................... 12 1.3.2. Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor................... 15 1.4. Kết luận chương 1................................................................................... 21 Chương II: Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha......... 22 2.1. Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ KĐB....... 22 2.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha.......... 23 2.2.1. Phương trình điện áp.................... 24 2.2.2. Phương trình từ thông................................................................ 25 2.2.3. Phương trình chuyển động......................................................... 28 2.2.4. Phương trình mô men................................................................. 29 2.2.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha...................... 30 2.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ quay dq 30 định hướng theo từ trường.............................................................................. 2.3.1. Khái niệm cơ bản và nguyên tắc của phép biến đổi tọa độ..... 30 2.3.2. Ma trận chuyển đổi tọa độ trong điều kiện công suất bất 34 biến................................................................................................................. 2.3.3. Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 3 pha bất kỳ sang hệ 35 tọa độ quay 2 pha (phép chuyển đổi 3s/2r).................................................... 2.4. Mô hình toán học động cơ KĐB trên hệ tọa độ quay 2 pha bất kỳ ....... 37 2.4.1. Phương trình điện áp trên hệ tọa độ dq0.................................. 37 2.4.2. Phương trình từ thông trên hệ tọa độ dq0................................ 38
iv 2.4.3. Phương trình mô men và phương trình chuyển động trên hệ 42 tọa độ dq0....................................................................................................... 2.4.4. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động và mạch điện tương đương 43 trạng thái động của động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ dq............. 2.4.5. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ 46 trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha .................................................... 2.5. Kết luận................................................................................................... 47 Chương III: Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng và thực 49 nghiệm........................................................................................................... 3.1. Đặt vấn đề................................................................................................ 49 3.2. Sơ đồ hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB ....................................... 50 3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Simulink........................................... 51 3.3.1. Sơ đồ mô phỏng........................................................................... 51 3.3.1.1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống........................................... 51 3.3.1.2. Khối động cơ không đồng bộ............................................. 52 3.3.1.3. Khối điều khiển vectơ (vector control)............................... 52 3.3.1.4. Khối điều khiển tốc độ (Speed control).............................. 53 3.3.2. Kết quả mô phỏng....................................................................... 53 3.3.2.1. Động cơ làm việc không tải ở tần số khác nhau ................ 53 3.3.2.2. Động cơ làm việc có tải...................................................... 56 3.3.3. Nhận xét......................................................................................... 59 3.4. Đánh giá bằng kết quả thực nghiệm........................................................ 60 3.4.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển tại trung tâm thí nghiệm. 60 3.4.2. Giới thiệu về các thiết bị của mô hình thực nghiệm.................. 63 3.4.3. Kết quả thí nghiệm..................................................................... 66 3.4.3.1. Kết quả 01........................................................................... 66 3.4.3.2 Kết quả 02............................................................................ 67 3.4.4. Nhận xét.................................................................................... 67 3.5. Kết luận chương 3................................................................................... 67 Kết luận và kiến nghị..................................................................................... 68 Tài liệu tham khảo.......................................................................................... 69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Giản đồ công nghệ thiết bị trộn quá trình 3 Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động Biến tần - động cơ....... 4 Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển vô hướng hệ truyền động biến tần- động 7
v cơ không đồng bộ .................................................................... Hình 1.4 Ý tưởng điều khiển vectơ động cơ KĐB rotor lồng sóc ......... 10 Hình 1.5 Xây dựng vector dòng stator từ ba dòng pha........................... 12 Vetor dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay Hình 1.6 14 dq.............................................................................................. Hình 1.7 Thu thập giá trị thực của các thành phần dòng isd, isq......................... 15 Hình 1.8 Cấu trúc kinh điển của hệ TĐĐXCBP điều khiển kiểu T4R.... 16 Hình 1.9a Sơ đồ khối cấu trúc của hệ TĐĐXCBP điều khiển kiêu T4R trên hệ tọa độ dq....................................................................... 18 Hình 1.9b Sơ đồ khối cấu trúc của hệ TĐĐXCBP điều khiển kiêu T4R trên hệ tọa độ αβ....................................................................... 19 Hình 1.10 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ TĐĐXCBP điều khiển kiêu T4R trên hệ tọa độ dq sử dụng động cơ đồng bộ............................. 20 Hình 1.11 Vectơ dòng stator khi động cơ đồng bộ làm việc: a) trong dải tốc độ quay danh định và b) lớn hơn tốc độ quay danh định (giảm từ thông cực bằng cách đặt isd < 0.................................. 21 Hình 2.1 Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha......................... 24 Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực....................... 31 Hình 2.2 F- cuộn dây kích từ, A - cuộn dây rotor C- cuộn dây bù Hình 2.3 Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình tương đương và mô hình động cơ điện một chiều........... 33 a) Mô hình các cuộn dây xoay chiều ba pha b) Mô hình tương đương xoay chiều hai pha c) Mô hình cuộn dây động cơ một chiều quay tròn Mô hình vật lý của động cơ không đồng bộ chuyển đổi sang trục Hình 2.4 dq.............................................................................................. 41 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động nhiều biến số của động cơ Hình 2.5: không đồng bộ.......................................................................... 45 Hình 2.6 Sơ đồ thay thế trạng thái động của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ dq....................................................................... 45 a) Sơ đồ thay thế trục d; b) Sơ đồ thay thế trục q Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống - ĐCKĐB ....................................................... 50 Cấu trúc mô phỏng hệ thống Biến tần – Động cơ xoay chiều ba Hình 3.2 pha............................................................................................ 51 Hình 3.3 Khối động cơ xoay chiều ba pha.............................................. 52 Hình 3.4 Cấu trúc khối điều khiển vectơ (vector control)...................... 52
vi Hình 3.5 Cấu trúc khối điều khiển tốc độ (speed control)...................... 53 Hình 3.6 Điện áp tực thời của biến tần ở tần số 50HZ............................ 53 Hình 3.7 Tốc độ động cơ ở tần số 50HZ................................................. 54 Hình 3.8 Mô men điện từ ở tần số 50HZ............................................... 54 Hình 3.9 Điện áp ra của biến tần không tải ở tần số 30HZ..................... 55 Hình 3.10 Tốc độ động cơ ở tần số 30HZ................................................. 55 Hình 3.11 Mômen điện từ của động cơ ở tần số 30HZ............................. 56 Hình 3.12 Điện áp đặt vào động cơ ở tần số 50HZ có tải......................... 56 Hình 3.13 Tốc độ của động cơ ở tần số 50HZ có tải................................ 57 Hình 3.14 Mômen tải của động cơ ở tần số 50HZ ................................... 57 Hình 3.15 Điện áp đặt vào động cơ ở tần số 30HZ có tải......................... 58 Hình 3.16 Tốc độ của động cơ ở tần số 30HZ có tải................................ 58 Hình 3.17 Mô men của động cơ ở tần số 30HZ........................................ 59 Hình 3.18 Cấu trúc mô hình thí nghiệm điều khiển.................................. 60 Hình 3.19 Kết cấu cơ khí phần tải của bài thí nghiệm.............................. 61 Hình 3.20 Giao diện trong thí nghiệm điều khiển..................................... 62 Hình 3.21 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển................................. 62 Hình 3.22 Kết quả thí nghiệm thí nghiệm tần số 25Hz ............................ 66 Hình 3.23 Kết quả thí nghiệm Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1............................ 67
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt ASM Asynchronous Machine Động cơ không đồng bộ AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều SFC Scalar Frequency Cotrol Điều khiển vô hướng FOC Field Oriented Control Điều khiển định hướng theo từ trường DTC Direct Toque Control Điều khiển trực tiếp mô men AD Analog to digital Bộ biến đổi tương tự -số THĐ Tín hiệu đặt ĐCXCBP Động cơ xoay chiều bap ha ĐCMC Động cơ một chiều ĐCĐB Động cơ đồng bộ ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ TĐĐXCBP Truyền động điện xoay chiều ba pha ĐCVTKG Điều chỉnh vecto không gian ĐTĐK Đối tượng điều chỉnh ĐTS Đặt tần số ĐCA Điều chỉnh biên độ điện áp ra nghịch lưu ĐC Điều chỉnh
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Trong công nghiệp: Các ngành chế biến thực phẩm hoặc hóa chất,… sản phẩm thường là dạng dung dịch lỏng cần được vận chuyển qua các đường ống để đưa đến các bình chứa. Điều khiển lưu lượng để duy trì mức dung dịch trong bình hóa chất hoặc thực phẩm, bằng điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha thay đổi tần số là bài toán cần giải quyết trong thực tiễn. Ngày nay, điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều không còn là lĩnh vực mới mẻ trong lý thuyết điều khiển tự động, nhưng ứng dụng của nó trong thiết kế các hệ thống điều chỉnh thì lúc nào cũng mới và đầy tiềm năng. Do các ưu điểm như: Bộ điều khiển truyền động cho phép dễ dàng thay đổi cấu trúc của động cơ, có thể đưa ra độ tin cậy cao dựa trên hệ truyền động của nó. Các bộ điều khiển động cơ còn được kết nối với các bộ phận khác bởi một bộ điều khiển trung tâm để xây dựng lên những hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, nó thực hiện vai trò điều khiển truyền động hệ thống và cung cấp cho người sử dụng,… Trong lĩnh vực điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều roto lồng sóc, điều khiển tốc độ động cơ ứng dụng các phương pháp điều khiển truyền thống, vì theo yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm cũng như độ chính xác, dễ dàng thiết kế của hệ thống điều khiển. Việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều roto lồng sóc là một công việc cần thiết, để nhằm khai thác có hiệu quả các trang thiết bị hiện có tại Trung tâm Thí nghiệm, hướng tới thực hiện chương trình triển khai ứng dụng khoa học công nghệ này vào thực tiễn. Với những lý do nêu trên, tác giả đã mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình’’ với hy vọng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. - Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại sẽ nâng cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta.
2 2. Mục tiêu của nghiên cứu: - Thiết kế điều khiển lưu lượng chảy qua đường ống cấp cho bình trộn dung dịch có hai thành phần chất có nhiệt độ khác nhau, nhằm duy trì mức bình trộn bằng bộ điều khiển tần số thông qua bộ biến tần động cơ xoay chiều ba pha. - Học đi đôi với hành, gắn liền lý thuyết thực tế. - Mục tiêu trực tiếp là góp phần nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất, đồng thời đóng góp phần nâng cao chất lượng của luận văn khoa học ngành TĐH. - Điều khiển tự động phải có ứng dụng hiệu quả cho sản xuất, định hướng đề tài là: dùng lý thuyết chuyển hệ trục tọa độ để thiết kế hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha là đối tượng phi tuyến, nhằm năng cao chất lượng và năng suất. Chính đó cũng là mục tiêu học thuật của Luận văn. 3. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài “Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình’’. Mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm chứng trên mô hình thực. Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng vào hệ thống điều khiển điều khiển quá trình nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất. 4. Cấu trúc của luận văn: Luận văn bao gồm các phần chính như sau: Chương I: Đối tượng nghiên cứu và định hướng điều khiển lưu lượng. Chương II: Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha. Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng và thực nghiệm.
3 CHƯƠNG I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1. Đối tượng nghiên cứu [9,10] - Trong hệ thống điều khiển quá trình tiêu biểu là bình trộn dung dịch được minh họa như trên hình 1.1: Bơm Hình 1.1: Giản đồ công nghệ thiết bị trộn quá trình Đầu vào của bình trộn là 2 dòng dung dịch nóng và lạnh. Dung dịch được hòa vào trong bình và bơm ra ngoài bằng bơm P. Dung dịch vào 1 là nước nóng, có nhiệt độ T1[0C], lưu lượng F1[l/s] và khối lượng riêng ρ1 [kg/l]. Dung dịch vào 2 là nước lạnh, có nhiệt độ T2 [0C], lưu lượng F2 [l/s] và khối lượng riêng ρ2 [kg/l]. Dung dịch ra có nhiệt độ T3 [0C], lưu lượng F3 [l/s] và khối lượng riêng ρ3 [kg/l]. Dung dịch ở trong bình trộn có thể tích V [m3], diện tích đáy A [m2], nhiệt độ T [oC] và khối lượng riêng ρ [kg/l]. Đường vào dòng lạnh lắp van
4 CV2. Các giả thiết: Khối lượng riêng của nước thay đổi không đáng kể ρ1 = ρ2= ρ3 = ρ; Nhiệt dung riêng đẳng áp của dòng quá trình là không đổi; coi nhiệt độ nước trong bình bằng nhiệt độ nước ra khỏi bình T3 = T. Để điều khiển lưu lượng dòng chảy F1 cấp cho bình trộn, ta sử dụng một bơm điện. Bơm được quay bằng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ biến tần. 1.2. Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ xoay chiều ba pha [4,5,6,8] Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, xong việc điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp là phương pháp điều chỉnh triệt để cho phép thay đổi cả tốc độ đồng bộ, và điều chỉnh tốc độ động cơ trong vùng trên của tốc độ định mức. Trong thực tế việc điều chỉnh tần số nguồn cấp này được thực hiện bởi các bộ biến tần. Một hệ thống truyền động trên cơ sở Biến tần - động cơ có sơ đồ cấu trúc tổng quát gồm nhiều nhiều vòng điều khiển như sau: Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động Biến tần - động cơ
5 Trong sơ đồ hình 1.2 trên: - RI : Khối điều khiển dòng điện có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi dòng điện (mô men) và đưa ra tín hiệu điều khiển theo những luật điều khiển phù hợp. - R : Khối điều khiển tốc độ có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi tốc độ và đưa ra tín hiệu điều khiển theo những luật điều khiển phù hợp. - R : Khối điều khiển vị trí có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi vị trí và đưa ra tín hiệu điều khiển theo những luật điều khiển phù hợp. - Khối chỉnh lưu: thực hiện chức năng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 3 pha thành dòng điện một chiều để cung cấp cho khối biến tần PWM. Tùy theo loại biến tần mà có thể có hoặc không có khối này, với biến tần trực tiếp thì sẽ không có khối này. - Khối biến tần PWM: nhận từ điều khiển từ khối điều khiển dòng và thực hiện khuếch đại xung và đưa các điện áp đến động cơ chấp hành. Khối này sử dụng các phần tử chuyển mạch là các phần tử bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch. - Khối động cơ chấp hành: Khối này có thể là động cơ xoay chiều đồng bộ hoặc không đồng bộ. - βI : Khối phản hồi dòng điện thực hiện chức năng phản hồi mômen (dòng điện) của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển dòng điện. - α : Khối phản hồi tốc độ động cơ điện và đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển tốc độ. - θ : Khối phản hồi vị trí thực hiện chức năng nhận tín hiệu là vị trí (t) và đưa về khối điều khiển vị trí. - Máy công tác: Là các máy sản xuất hoặc các cơ cấu chấp hành cụ thể. Để tạo ra các bộ biến tần có f thay đổi được người ta có thể các bộ biến tần với máy điện quay hoặc dùng bộ biến tần bán dẫn. So với các bộ biến tần bán dẫn, bộ biến tần máy điện quay có nhiều nhược điểm và ngày càng ít dùng. Động cơ không đồng bộ là loại máy điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật truyền động điện do đó có ưu điểm là: đơn giản về kết cấu, gọn nhẹ dễ chế tạo, dễ sử dụng, đặc biệt động cơ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần
6 quay không có yêu cầu về cách điện và có thể làm việc ở cả môi trường có hoạt tính cao hoặc trong nước. Trước đây việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ gặp khó khăn khi điều khiển ở vùng tốc độ thấp. Ngày nay động cơ không đồng bộ được điều chỉnh bằng các bộ biến tần bán dẫn đã và đang được hoàn thiện và có khả năng cạnh tranh lớp với điều khiển một chiều, nhất là ở vùng công suất truyền động lớn hoặc tốc độ thấp. Đặc điểm của phương pháp điều khiển biến tần là: - Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. - Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tấn có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau. - Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng, có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau. - Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (máy dệt, băng tải, băng chuyền,…) - Các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy ly tâm, máy mài,…) Hiện nay trên thế giới đang được lưu hành rất nhiều loại biến tần của các hãng khác nhau. Trong đó biến tần của hãng SIEMENS (Đức) là một trong những sản phẩm hàng đầu. Nó có nhiều đặc điểm ưu việt về tính năng kỹ thuật cũng như chất lượng sản phẩm. Với mong muốn thúc đẩy sự phát triển của nền công nghiệp Việt Nam. Đặc biệt là trong lĩnh vực truyền động điện, cũng như mong muốn giúp sinh viên tiếp cận với những công nghệ khoa học kỹ thuật mới, luận văn này xin giới thiệu một hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều sử dụng thiết bị của SIEMENS. Hệ thống bộ biến đổi tần số (dùng chỉnh lưu PWM) - động cơ không đồng bộ (ASM – Asynchronous Machine). Đối với động cơ điện không đồng bộ thì tần số là thông số điều khiển rất quan trọng. Điều khiển tần số là phương pháp điều
7 khiển kinh điển, tuy nó đòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp vì xuất phát từ bản chất và nguyên lý làm việc của động cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt. Một số yêu cầu chất lượng điều chỉnh nâng cao thì các phương pháp kinh điển khó đáp ứng được. Có 3 phương pháp chủ yếu sau: 1. Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control). 2. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control) 3. Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control) Trong đó: Phương pháp thứ nhất: Thực chất của phương pháp điều khiển vô hướng (U/f bằng hằng số) là giữ cho từ thông stator (ψs) không đổi trong suốt quá trình điều chỉnh. Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động cơ sẽ được sử dụng hiệu quả nhất, tức là có khả năng sinh mômen lớn nhất. Do những ưu điểm sẵn có của các động cơ không đồng bộ mà các hệ truyền động của chúng cũng thừa hưởng tính kinh tế và tính chắc chắn. Phương pháp này dễ thực hiện tuy vậy vẫn còn tồn tại nhược điểm: tổn thất công suất ∆ P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q không phải là nhỏ nhất, ổn định tốc độ gặp khó khăn, mặc dù hệ truyền động đơn giản nhưng có hạn chế về độ chính xác tốc độ và đáp ứng mômen kém. Hệ truyền động không thể đảm bảo điều khiển được các đáp ứng về mômen và từ thông. Cho nên, điều khiển vô hướng được ứng dụng trong công nghiệp khi yêu cầu không cao về điều chỉnh sâu tốc độ. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động theo phương pháp điều khiển vô hướng được biểu diễn trên hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: A B C Đặt tần số ra NL CL ĐTS f Udc C Driver Sa,Sb,Sc U NL ĐCA PWM NL THĐ - SI I ia BĐD XL ib ASM TG Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển vô hướng hệ truyền động biến tần- động cơ không đồng bộ
8 Phần lực gồm: CL là khối chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều cấp cho khối nghịch lưu; NL là khối nghịch lưu thường dùng các khoá đóng cắt IGBT, thực hiện biến đổi điện áp một chiều Udc ở đầu ra khối CL thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ASM là động cơ không đồng bộ ba pha rotor long sóc; C là tụ lọc. Phần điều khiển gồm: Khâu tạo tín hiệu khống chế nghịch lưu theo nguyên lý điều chỉnh độ rộng xung (Driver NL PWM); bộ điều chỉnh biên độ điện áp ra nghịch lưu (ĐCA); các sensor đo dòng (SI) và đo tốc độ (TG); khâu biến đổi dòng ba pha của động cơ thành điện áp một chiều tỉ lệ với giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (BĐD); XL là khâu gia công tín hiệu dòng điện và tốc độ động cơ phục vụ cho mục đích ổn định động hệ thống; tín hiệu đặt tốc độ của hệ (THĐ) được đưa đến khối đặt tần số để quyết định tần số ra của NL, đồng thời THĐ lại được tổng hợp với tín hiệu đầu ra của XL để khống chế biên độ điện áp ra của biến tần; các tín hiệu Sa, Sb, Sc là các chuỗi xung dùng để không chế các khoá IGBT trong ba pha của nghịch lưu. Việc khống chế qui luật thay đổi tần số giai đoạn khởi động do ĐTS quyết định, còn việc điều chỉnh điện áp được thực hiện bởi ĐCA. Phương pháp thứ hai: Là hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường cũng gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và chế độ động. Phương pháp này coi rotor là phần cảm, stator là phần ứng và được phân ly với nhau giống như máy điện một chiều kích từ độc lập, nên đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu momen. Việc điều khiển vectơ dựa trên định hướng vectơ từ thông roto cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stato, do đó có thể điều khiển trực tiếp từ thông và momen động cơ. Kênh điều khiển
9 momen thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh momen. Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông. Do đó phương pháp này tạo nên cuộc cách mạng trong điều khiển động cơ không đồng bộ, có thể tạo được các đặc tính tĩnh và động cao, làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không, nên nó cạnh tranh hiệu quả với truyền động động cơ một chiều. Từ mô hình toán học động cơ không đồng bộ là một hệ thống nhiều biến, bậc cao, phi tuyến, nhiều ràng buộc chặt chẽ, thông qua phép biến đổi tọa độ, có thể làm nó hạ bậc đồng thời đơn giản hoá, nhưng vẫn chưa thay đổi bản chất tính phi tuyến và nhiều biến số của nó. Chất lượng động của hệ thống điều tốc biến tần không được như mong muốn, tham số của bộ điều chỉnh rất khó thiết kế chính xác, vấn đề chính là ở chỗ đã đi theo khái niệm hệ thống điều khiển một biến số mà chưa xét tới bản chất phi tuyến, nhiều biến số. Về vấn đề này nhiều nhà chuyên môn đã dày công nghiên cứu, đến năm 1971 đã có 2 công trình nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức thực hiện, và “Điều khiển biến đổi tọa độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ đạt được kết quả tốt, và đã được công bố trong sáng chế phát minh của họ. Trải qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến. Dựa quy tắc của phép chuyển đổi là tạo ra sức điện động quay đồng bộ, dòng điện xoay chiều mạch stator iA, iB, iC qua phép biến đổi 3/2, có thể chuyển đổi tương tương thành dòng điện xoay chiều ở tọa độ cố định 2 pha i 1, i 1; sau đó lại thông qua phép biến đổi quay theo định hướng từ trường rotor, có thể chuyển đổi tương đương thành dòng điện một chiều iM1, iT1 trên hệ tọa độ quay đồng bộ. Nếu người quan sát đứng trên lõi sắt từ và cùng quay với hệ tọa độ, thì người quan sát sẽ thấy đó như là một động cơ một chiều, tổng từ thông 2 của rotor động cơ xoay chiều ban đầu chính là từ thông động cơ điện một chiều tương đương. Cuộn dây M tương đương với cuộn dây kích từ của động cơ một
10 chiều, iM1 (hay id1) tương đương với dòng điện kích từ, cuộn dây T tương đương với cuộn dây phần ứng giả cố định, iT1 (hay iq1) tương đương với dòng điện phần ứng và tỷ lệ thuận với mô men. Từ quan hệ tương đương trên đây có thể mô tả dạng sơ đồ cấu trúc của động cơ như trên hình 1.3. Về tổng thể mà nói, đầu vào 3 pha A, B, C, đầu ra tốc độ góc , là một động cơ không đồng bộ, qua phép biến đổi 3/2 và biến đổi quay đồng bộ trở thành một động cơ một chiều đầu vào iM1, iT1 và đầu ra . Động cơ không đồng bộ qua biến đổi tọa độ có thể trở thành động cơ một chiều tương đương, như vậy phỏng theo phương pháp điều khiển động cơ một chiều, tìm ra lượng điều khiển của động cơ một chiều, qua phép biến đổi ngược tọa độ tương ứng, lại có thể điều khiển động cơ không đồng bộ. Bởi vì đối tượng phải tiến hành biến đổi tọa độ là vector không gian (được đặc trưng bằng sức từ động) của dòng điện, cho nên thông qua hệ thống điều khiển để thực hiện chuyển đổi tọa độ được gọi là hệ thống điều khiển chuyển đổi vector (Transvector Control System), gọi tắt là hệ thống điều khiển vector (Vector Control System), ý tưởng của sơ đồ đó như trên hình 2.2. Hình 1.4: Ý tưởng điều khiển vectơ động cơ KĐB rotor lồng sóc Trong đó tín hiệu cho trước và tín hiệu phản hồi đi qua bộ điều khiển tương * tự như hệ thống điều tốc một chiều đã dùng, tín hiệu đặt dòng điện kích từ iM1 và * tín hiệu đặt dòng điện mạch rotor iT 1 , đi qua bộ chuyển đổi quay VR-1, nhận * * được iα 1 , iβ 1 , tiếp tục đi qua phép chuyển đổi 2 pha/3 pha nhận được i* , i* , iC1 . Sử dụng ba dòng điện này điều khiển cùng với tín hiệu điều khiển A1 B1 *
11 tần số 1 nhận được từ bộ điều khiển để khống chế bộ biến tần điều khiển dòng điện, tạo ra dòng điện biến tần 3 pha mà động cơ điều tốc yêu cầu. Khi thiết kế hệ thống điều khiển vector, có thể cho rằng ở bộ chuyển đổi quay ngược VR-1 đưa vào phía sau bộ điều khiển và khâu chuyển đổi quay VR trong bản thân động cơ triệt tiêu nhau, bộ chuyển đổi 2/3 và bộ chuyển đổi 3/2 phía trong động cơ triệt tiêu nhau, nếu tiếp tục bỏ qua trễ do bộ biến tần sinh ra, phần nét đứt trong khung trên hình 1.4 có thể bỏ đi hoàn toàn, phần còn lại rất giống với hệ thống điều tốc một chiều. Có thể tưởng tượng rằng, tính năng trạng thái tĩnh và động của hệ thống điều tốc biến tần xoay chiều điều khiển vector hoàn toàn tương đương với hệ thống điều tốc một chiều. Đương nhiên, muốn thực hiện ý tưởng trên đây không phải là không có vấn đề. Trước tiên là, điều khiển tần số và điều khiển dòng điện ở trạng thái động sẽ phối hợp ăn khớp với nhau như thế nào? Vấn đề này chưa hề xuất hiện trong hệ thống điều tốc một chiều, mà trong hệ thống điều tốc xoay chiều cần phải giải quyết. Hai là, trong động cơ một chiều từ thông luôn là hằng, còn trong hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector thì vấn đề này được duy trì ra sao? Tóm lại, hệ thống điều khiển vector về bản chất có thể giải quyết được nhiều vấn đề tồn tại trong hệ thống điều khiển tần số trượt, phần tiếp sẽ nghiên cứu giải quyết những vấn đề này. Phương pháp thứ ba: Là điều khiển trực tiếp lên mômen điện từ, tốc độ là đại lượng điều khiển gián tiếp. Tinh thần của phương pháp là điều khiển vị trí vectơ từ thông stato để điều khiển mômen động cơ, trên cơ sở là tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ từ thông móc vòng stato. Các vectơ điện áp được lựa chọn dựa trên sai lệch của từ thông stato và momen điện từ với các giá trị đặt. Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và momen điện từ, một vectơ điện áp tối ưu đã định trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đúng với lượng đặt. Như vậy, ưu điểm của phương pháp này là chỉ quan tâm đến các vectơ đại lượng stato mà không cần xác định vị trí của roto nên đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số của động cơ, đáp ứng mômen nhanh, linh hoạt. Nhược điểm của phương
12 pháp là do bộ điều chỉnh từ thông là ON/OFF hai hoặc ba vị trí dẫn đến các xung momen động cơ nên khi làm việc ở tốc độ thấp khó ổn định. 1.3. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC) [1,2,3,4] Đối với động cơ một chiều (ĐCMC) có thể điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch kích thích) và dòng tạo mômen quay (dòng mạch phần ứng). Do hai mạch điện của ĐCMC hoàn toàn cách ly, ta thu được các thuật toán điều chỉnh đơn giản và đòi hỏi ở vi sử lý một lượng thời gian tính toán không lớn. Đây chính là lý do đưa ĐCMC vượt trước ở những năm đầu ứng dụng điều khiển số trong các hệ thống điều chỉnh truyền động điện. Đặc biệt, trong những hệ thống có quá trình công nghệ phức tạp, đòi hỏi chất lượng tĩnh và động cũng như độ chính xác điều chỉnh rất cao. Ngược lại, do hệ thống cuộn dây và nguồn cấp xoay chiều ba pha, động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) có cấu trúc phức tạp và đã gây khó khăn đáng kể cho mô tả toán học đặc điểm cách ly kể trên. Vì vậy, mục đích của phương pháp tựa theo từ thông rotor (T4R) chính là: Tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và tạo mômen quay từ dòng điện xoay chiều ba pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ. Hệ truyền động điều khiển theo kiểu T4R chính là hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng kể trên nhờ mạch vòng điều chỉnh dòng stator (là mạch vòng trong cùng của toàn hệ). 1.3.1. Vectơ không gian và hệ tọa độ từ thông * * * Ba dòng pha hình sin phía stator isu , isv , isw của ĐCXCBP không nối điểm trung tính: isu ( t ) + isv ( t ) + isw ( t ) = 0 (1.1) Có thể được mô tả dưới dạng vectơ is(t) quay trên không gian với tần số stator fs (Hình 1.4): 2 2π is = isu ( t ) + isv ( t )e jγ + isw ( t )e j 2 γ ; γ = (1.2) 3 3 Lúc này, ba dòng pha sẽ là hình chiếu của vectơ is xuống trục của các cuộn dây tương ứng.
13 Hình 1.5: Xây dựng vector dòng stator từ ba dòng pha Tương tự ta có thể biểu diễn các đại lượng ba pha khác như điện áp stator, từ thông stator và rotor dưới dạng vectơ us , ψ s , ψ r . Tất cả các vectơ đều quay xung quanh gốc tọa độ với tốc độ s . Bây giờ, ta hình dung ra một hệ trục tọa độ với hai trục d và q, quay đồng bộ với vectơ ở hình 1.5, ta có thể biểu diễn tất cả các vectơ dưới dạng thành phần sau: us = usd + jusq is = isd + jisq (1.3) ψ s = ψ sd + jψ sq ψ r = ψ rd + jψ rq Nếu trục d (trục thực) của hệ tọa độ mới (hình 1.6) trùng với trục của vectơ từ thông ψ r (động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc - KĐB) hoặc từ thông cực ψ p (động cơ đồng bộ rotor nam châm vĩnh cửu - ĐCĐB), khi ấy thành phần trục q của từ thông rotor sẽ mất đi và ta thu được một bức tranh rất rõ ràng về quan hệ vật lý giữa mômen quay, từ thông rotor và các thành phần dòng. Quan hệ đó như sau: Lm 2 Lm KĐB: ψ rd = isd ; mM = z pψ rd isq (1.4) 1 + sTr 3 Lr 2 ĐB: mM = z pψ p isq (1.5) 3